纖維素吸附材料的研究進展

黃穎瑩

(上海復綠環境科技有限公司，上海 200070)

吸附法是去除環境中污染物最為快捷有效的方法之一，環境吸附材料包括多孔吸附材料、無孔吸附和納米吸附材料，有活性炭、吸附樹脂、纖維材料、石墨烯等。其中，天然高分子纖維素是重要的一種環境凈化吸附材料，通過對纖維素上的官能團進行改性，使其具有較強的吸附能力和再生能力。改性纖維素的穩定性高、吸附選擇性特殊、利用成本低等一系列優點使其成為環境吸附材料的一個重要發展方向[1-2]。

1 纖維素簡介

1.1 纖維素簡介

纖維素是一種纖維狀、多毛細管的天然高分子聚合物，它的分子內含有許多親水性的羥基基團，還具有多孔和比表面積大的特性。同時它還是地球上最豐富的可再生資源，大量地存在植物的木質部中，具有價廉、可降解性和對生態環境不產生污染等優點。常見的纖維素有棉花、甘蔗渣、稻谷殼和其他一些植物秸稈[3]。

1.2 纖維素的改性

天然纖維素是由D-吡喃葡萄糖經β-1,4糖苷鍵組成的直鏈多糖，分子內含有許多親水性的羥基基團。纖維素改性方法有物理法和化學法，常用的是化學法。纖維素的化學改性通常是在纖維素的羥基上接入有吸附能力的官能團，使纖維素具有不同的功能特性，主要的方法有：醚化、酯化和接枝共聚等。改性的纖維素可用作吸附材料、可生物降解材料、纖維液晶材料和高性能纖維材料等[4]。

2 纖維素吸附劑

根據所帶的官能團的不同，通過化學改性的纖維素吸附劑通常分為陰離子纖維素吸附劑和陽離子纖維素吸附劑兩大類，在環境污染治理方面，能夠用于吸附水中帶正電荷的重金屬離子和帶磺酸基、羥基、羧基等陰離子基團的水溶性有機物，還有一些改性纖維素可以用于吸附含氯的農藥殘余物和脫氮等等[5]，總的來說，纖維素吸附劑在環境污染治理有很大的應用前景。

2.1 陰離子纖維素吸附劑

通過羥基衍生化反應，在纖維素的羥基上接入對陽離子具有吸附能力的陰離子基團，從而得到陰離子纖維素吸附劑。這類吸附劑在環境保護特別是吸附重金屬方面的應用已經非常廣泛[3,6-8]。

很多研究主要通過聚合和交聯反應，在纖維素中引入陰離子官能團，從而達到改性的目的。楊瑤等采用市售脫脂棉與環硫氯丙烷在堿存在的條件下進行反應。通過開環聚合接枝反應和交聯反應制成了聚硫醚型離子交換纖維。其主要化學反應過程有：

纖維素的很多衍生物，如醋酸纖維素等，也可以通過改性成為吸附材料，李杰等[12]通過磺甲基化反應，對羧甲基纖維素進行酰胺基改性，使其帶上磺酸基，成為陰離子吸附材料，實驗結果表明，這種材料對鉛離子有很好的吸附性能，在一定條件下脫除率可達95%，1 g樹脂可吸附2.7 mg鉛。

很多含氮硫改性纖維具有很大的吸附容量，卻有吸附選擇性較差的缺陷。楊發福等[13]研究了纖維素多乙烯多胺衍生物與1,3-二環氧丙基杯芳烴反應后制備螯合樹脂杯芳香烴接枝樹脂的方法，該材料結合了杯芳香烴很優異的離子識別性能的特點和纖維素吸附性能的優勢，研究結果表明，得到的產品對Ni2+離子有很高的吸附選擇性，并且吸附容量較高，可以用氨水解吸附，有很好的重復使用性。

2.2 陽離子纖維素吸附劑

通過羥基衍生化反應，在纖維素的羥基上接入對陰離子有吸附能力的基團，從而得到陰離子纖維素吸附劑。陽離子纖維素材料廣泛應用于印染工業、制糖工業、醫藥衛生行業等領域，在環境治理方面的應用研究較少。

孫瀟等[14]研究了甘蔗渣經堿化后與3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨反應，得到蔗渣改性脫色劑的制備方法，研究結果表明該材料對蔗汁中帶負電荷的色素具有不錯的吸附效果。呂麗華等[15]的研究表明，纖維織物經陽離子改性劑3-氯-2-羥丙基三甲基硫酸銨改性后，再用染料進行染色，染色織物的各項指標均較好，染色性能有明顯改善。王少敏等[16]提出硝化纖維素與3-氯-2羥丙基三甲基氯化銨反應制備得到的季銨型硝化纖維素吸附劑，對一種腎毒性物質-肌酐有較好的吸附性能，可以用于治療慢性腎功能衰竭。

目前，部分學者開展了陽離子纖維素吸附劑在污水治理中的研究。張玉霞等[17]提出以芝麻桿纖維素為原料，經堿化后與三乙胺鹽酸鹽發生反應，反應過程如下：

研究結果表明，通過該方法改性后的陽離子纖維素對水體中的苯胺具有較好的吸附效果，由實驗可知，該吸附材料對工業廢水中的苯胺的去除率可達93.2%，且可使用丙酮對吸附苯胺后的材料進行解吸，解吸率高于85%。

2.3 兩性纖維素吸附劑

2.4 其他纖維素吸附劑

此外，針對含氯的有機農藥對水體的污染，也研發了很多纖維素吸附劑，這類纖維素吸附劑的機理比較復雜，除了離子的吸附機理以外，還有改性纖維素對大分子物質的范德華力的吸附作用，以及親酯基團的相互吸引作用。代瑞華等的研究表明，醋酸纖維素經丙酮溶解后，滴入液體冷卻劑中，制成球形吸附劑，該吸附劑外表面是一層致密的醋酸纖維素膜，內部為網狀結構，該吸附劑對水中親脂性的有機物具有較高的吸附效能，對水中狄試劑、艾氏劑、異狄試劑、七氯4種有機氯農藥有較強的吸附能力，12 h后去處率均達到85%以上，并且對艾氏劑、七氯具有很快的吸附速度，0.5 h后去除率可達99%[20]。Sami等[21]采用纖維素與含有C6、C8、C12的脂肪酸酐通過?；又Γ@種改性后的纖維對氯苯、1,4-二氯苯、硝基苯、1,3,4-三氯苯、喹等有機物有很好的吸附效果。實驗結果還表明，這種吸附材料可以再生，循環使用十次后仍然保持其對有機物的吸附容量，是一種具有優異循環使用性能的材料。

3 纖維素吸附劑的發展方向

纖維素吸附材料具有比表面積大、價格低廉、可再生、使用方便等特點，是一種表現良好的環境功能材料，其在環境污染治理中的應用越來越廣泛。通過對纖維素吸附材料的進一步鉆研與開發，纖維素吸附材料在環保領域中將會發揮越來越重要的作用。主要發展方向有：

(1)在纖維素的衍生物基礎上進行進一步的改性，制備新的高吸附性能的材料。

(2)結合其他有吸附性能材料，聯合制備具有綜合優良吸附性能的新材料。

(3)結合可持續發展戰略，在原材料選用、產品的循環使用方面完善。

4 結 語

吸附材料是重要的環境功能材料之一，在環境污染治理方面發揮著重要的作用。纖維素吸附材料具有原料資源豐富、成本低、吸附能力強、可再生利用、無毒可降解等明顯優勢，具有良好的開發應用前景。但是，纖維素吸附材料仍存在一些缺陷，例如纖維素吸附材料對污染物的吸附能力受pH、溫度等因素的影響較大，因此適用范圍較窄，且需進一步研究纖維素吸附材料的解吸技術，提高再生能力，減少二次污染[22]。近年來，我國乃至全世界對環保問題越來越重視，經濟飛速發展的同時帶來的環境污染問題亟待解決，通過對環境功能材料改性纖維素的不斷深入研究，纖維素吸附材料將越來越受歡迎，其在環境治理中將具有越來越廣泛的應用前景。